專利名稱：基于fpga的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置是一種具備多傳感器智能感知，多種網(wǎng)絡(luò)間自動連接的傳感器數(shù)據(jù)源分享的便攜式手持設(shè)備，該控制器內(nèi)部集成了 FPGA的動態(tài)配置技術(shù)及IEEE1451傳感器智能接入技術(shù)，可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、網(wǎng)絡(luò)分享，屬于物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有接入到網(wǎng)絡(luò)中的物理對象能夠相互連通的網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)架構(gòu)來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是由不同種類的傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。現(xiàn)有感知層傳感器在接入系統(tǒng)時往往產(chǎn)生很多困難，這主要是因為傳感器的接入多數(shù)采用了專有的電路設(shè)計，對于傳統(tǒng)傳感器的智能化改造需要一個漫長的過程，人力和財力的開銷都不可小計。另外，不同廠家生產(chǎn)的傳感器在數(shù)據(jù)類型的定義、傳感器數(shù)據(jù)讀寫控制等有很大的不同，要對感知層的各類傳感器進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式編寫，也會是一個極其艱巨的工作。針對傳統(tǒng)傳感器的智能化改造，美國電氣和電子工程師協(xié)會已經(jīng)推出IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)較全面地規(guī)定了智能傳感器軟硬件設(shè)計框架和相關(guān)接口協(xié)議。但這個協(xié)議也面臨著一些問題傳統(tǒng)傳感器的外圍電路與智能傳感器具有較大區(qū)別，對傳統(tǒng)傳感器外電電路的重新設(shè)計改造需要對現(xiàn)有電路進行升級，改造工程巨大。現(xiàn)有傳感器就算接入到系統(tǒng)中，如何適應(yīng)不同區(qū)域的不同類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議又是困擾物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的另一大阻礙。物聯(lián)網(wǎng)雖然是基于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)，但為了更多終端節(jié)點的接入，會在互聯(lián)網(wǎng)之外加入多種類型的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)作為擴展，豐富節(jié)點的數(shù)量及種類。而現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通常只是具備了一種特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)需要連接不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)時，就不得不新增新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，增加更多的設(shè)備投入成本。

實用新型內(nèi)容基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置采用主流的FPGA控制芯片作為主要的控制器，利用IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)中提出的電子數(shù)據(jù)表格、網(wǎng)絡(luò)適配器及智能變送器概念進行對應(yīng)IP核的編寫，實現(xiàn)了對不同廠商傳感器的自動識別接入、不同網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)連接、切換及傳統(tǒng)模擬傳感器、智能傳感器外圍電路的動態(tài)配置功能。本實用新型提供的一種基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置，其硬件特征在于基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置以下簡稱控制器，該控制器硬件包括主處理器、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源和傳感器擴展接口。數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源模塊和傳感器擴展接口都分別和主處理器相連。該主處理器采用可動態(tài)配置FPGA芯片，負責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)感知層的各類傳感器數(shù)據(jù)信息與自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)選取的綜合控制。同時，當(dāng)用戶想要接入不同類別的傳感器時，該主處理器可以在控制器工作的狀態(tài)中，隨時靈活配置出新接入傳感器所需的外圍硬件電路，使得新接入傳感器能適應(yīng)該控制器的工作環(huán)境，并且不會影響到其他傳感器的正常工作。該無線收發(fā)模塊主要用于網(wǎng)絡(luò)連接及通訊，涉及到的無線連接方式主要有Zigbee通訊協(xié)議、藍牙通訊協(xié)議、WIFI通訊協(xié)議及手機GSM、WCDMA或TD-LTE通訊協(xié)議。通過該無線收發(fā)模塊，控制器可以在上述任意一種無線通訊信號覆蓋的環(huán)境下實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器數(shù)據(jù)的連接、分享。數(shù)據(jù)存儲模塊有兩類主要的功能，一方面作為多傳感器接入時數(shù)據(jù)臨時存儲區(qū)域，共主處理器及無線收發(fā)模塊交換數(shù)據(jù)，確保了多組傳感器的數(shù)據(jù)不被丟失的情況；另一方面，數(shù)據(jù)存儲模塊作為傳感器數(shù)據(jù)的長期存儲區(qū)域，可以實現(xiàn)控制器對數(shù)據(jù)的保存，拷貝 功能，方面日后對所采集數(shù)據(jù)的重新分析。觸摸屏作為人機交互平臺，可實時顯示控制器工作狀態(tài)、物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點數(shù)量及數(shù)據(jù)信息、當(dāng)前環(huán)境下可用無線網(wǎng)絡(luò)情況、及控制器自身電量等情況；用戶也可以通過觸摸屏對感知層傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)進行配置及選取。傳感器擴展接口的設(shè)計使得物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備可以很方便的接入到控制器系統(tǒng)中。同時，接口也對不同點信號的傳感器做好了物理上的區(qū)分，使得接口可以很好的適應(yīng)不同種類感知層設(shè)備的接入?；谝陨嫌布脚_，本實用新型創(chuàng)造性的設(shè)計并實現(xiàn)了符合IEEE1451. 2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的智能變送器及網(wǎng)絡(luò)適配器的FPGA實現(xiàn)方法。由于該設(shè)計方法采用了設(shè)計硬件電路的思維來建立智能變送器及網(wǎng)絡(luò)適配器，與現(xiàn)有傳統(tǒng)意義上用軟件實現(xiàn)的智能變送器及網(wǎng)絡(luò)適配器具有很大的不同，主要表現(xiàn)在 智能變送器及網(wǎng)絡(luò)適配器全部功能用硬件實現(xiàn)(基于VHDL硬件描述語言)，系統(tǒng)實時性及可靠性遠高于軟件實現(xiàn)方法； 該設(shè)計方法參考IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，完全符合IEEE1451. 2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對比現(xiàn)有設(shè)計方法，本實用新型將該協(xié)議全部功能在一塊FPGA芯片中得以實現(xiàn)，最大程度上減少了硬件開銷，降低成本，也提高了系統(tǒng)集成度及穩(wěn)定度； 該設(shè)計方法結(jié)合了 FPGA的IP核復(fù)用等優(yōu)勢，在一個嵌入式系統(tǒng)中提供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP核，并可實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)間并行連接及共享傳感器數(shù)據(jù)的特性，在數(shù)據(jù)并行傳輸、數(shù)據(jù)傳送延時及多網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)上遠遠高于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

圖I :基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置正面圖圖2 :基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖3 Microblaze嵌入式軟核總線連接示意圖圖4 :智能變送器模塊在FPGA上實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)圖圖5 :網(wǎng)絡(luò)適配器在FPGA上實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)圖
具體實施方式
結(jié)合圖I到圖5部分，在以下部分對這些圖示進行詳細描述[0024]基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置是一款便攜式手持設(shè)備，可廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、匯總，多種無線網(wǎng)絡(luò)連接、共享數(shù)據(jù)的功能。具有采集數(shù)據(jù)靈活、多樣，操作方便的特性。該控制器正面(如附圖圖I所示)由一觸摸屏及傳感器擴展接口構(gòu)成。觸摸屏的加入主要考慮到用戶在使用該設(shè)備的時候，可以盡量簡便操作過程，實施看到被采集傳感器數(shù)據(jù)信息的特性。另外，觸摸屏的好處考慮到日后產(chǎn)品的升級換代，例如對采集數(shù)據(jù)進一步分析處理，用觸摸屏的方式可 以很好的與用戶進行交互。傳感器擴展接口是由多組可任意插拔的插針式接口組成，主要用于連接物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備終端，或用于擴展傳感器時用作連線接口使用。該傳感器擴展接口主要對傳感器不同信號進行區(qū)分，主要分為模擬量信號采集接口與數(shù)字量信號采集接口，并對不同的電壓做了區(qū)分，避免了傳感器輸出的不同對采集卡設(shè)備造成的損害。該控制器內(nèi)部(如附圖圖2所示)主要有實現(xiàn)功能的各個硬件模塊組成，主要包括了主處理器FPGA芯片，存儲模塊包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM或FLASH，可重復(fù)使用的可充電電池，無線連接的支持各類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊以及用于增強信號的內(nèi)置天線。由于該控制器的優(yōu)勢在于可連接不同類型的多種無線網(wǎng)絡(luò)，所以支持無線協(xié)議的硬件設(shè)備占據(jù)了控制器的主要空間。FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。因此，F(xiàn)PGA芯片可以在同一款芯片內(nèi)部根據(jù)不同的配置，完成多種功能電路的構(gòu)建，可以滿足需求不斷變化的應(yīng)用方案。美國XILINX公司的Virtex-5系列FPGA芯片以豐富的邏輯、DSP、軟、硬微處理器和連接功能提供諸多的解決方案，更重要的是，在Virtex-5芯片中，F(xiàn)PGA芯片開始支持動態(tài)局部重配置技術(shù)，這使得FPGA內(nèi)部硬件資源實現(xiàn)分時復(fù)用，提高了資源的使用率。利用Virtex-5系列FPGA芯片的可重構(gòu)特點及上述動態(tài)局部重配置技術(shù)，該控制器可以同時采集多組不同類別的感知層設(shè)備數(shù)據(jù)，并對新加入系統(tǒng)的設(shè)備進行硬件驅(qū)動的在線配置，保證了系統(tǒng)在使用過程中的穩(wěn)定性及靈活性。MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核(此處IP核的概念可以理解為硬件設(shè)備在FPGA中的驅(qū)動程序)，和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片的設(shè)計。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線,可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并訪問其中的數(shù)據(jù)。具有運行速度快、占用資源少、可配置性強等優(yōu)點。該控制器采用MicroBlaze軟核作為該控制器的嵌入式系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)總線及指令總線將各個功能模塊IP核相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)各功能模塊之間的通信及協(xié)調(diào)工作(如附圖圖3所示)。Microblaze軟核處理器通過指令本地存儲器總線與數(shù)據(jù)本次存儲器總線和RAM設(shè)備相連接，可以交換數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)的地址存放指令信息；通過數(shù)據(jù)外設(shè)總線與連接到系統(tǒng)中的各級外設(shè)交互數(shù)據(jù)，并通過OPB總線控制器管理外部設(shè)備數(shù)據(jù)信息；通過指令外設(shè)總線與FLASH/ROM設(shè)備連接，用于存儲不宜丟失的長期數(shù)據(jù)信息。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)對網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器具有很大的意義，主要是該標(biāo)準(zhǔn)定義的傳感器或執(zhí)行器的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，為傳感器或執(zhí)行器提供了標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口和軟硬件的定義，使得不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以通過IEEE1451定義的接口標(biāo)準(zhǔn)進行通信。對于物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備種類多樣，接口標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)格式定義不一的特點，IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)中提出的電子數(shù)據(jù)表格的概念可以很好的解決這一問題。它使得傳感器具有了自我描述能力和自我識別能力，可以支持很多種類的傳感器與執(zhí)行器，描述傳感器的具體類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)，例如傳感器生產(chǎn)商的名稱、傳感器的型別、通信速率等信息等。通過對不同廠商傳感器信息的提前匯總，編寫成一張傳感器信息電子表格，在以后的傳感器接入使用中，只要以查表的方式，就可以輕松獲取到每個廠商不同種類傳感器的詳細信息。變送器電子數(shù)據(jù)表格是IEEE1451. 2協(xié)議中最為重要的概念之一，也是智能變送器接口模塊STIM(Smart Transducer Interface Module)中最為重要的概念之一(如附圖圖4所示)，一個STIM可以連接大量不同類型的傳感器或執(zhí)行器，此處連接的是物聯(lián)網(wǎng)感知層的各類設(shè)備，包括設(shè)備I到設(shè)備n。附圖圖4所示是上述各個功能模塊以IP核的方式在FPGA中實現(xiàn)的機構(gòu)圖，因為連接硬件設(shè)備到FPGA主處理器，需要配置對應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，在FPGA中是以IP核的形式體現(xiàn)，所以對應(yīng)了圖中各個設(shè)備的IP核。TEDS電子數(shù)據(jù)表格也以單獨IP核的形式加入到STIM模塊中，為傳感器的智能接入提供對應(yīng)信息的支持。這對普通傳感器的智能化改造提供了解決途徑，通過在FPGA中實現(xiàn)的TEDS變送器電子表格功能，可以使得該控制器具備智能識別發(fā)現(xiàn)各類感知層傳感器設(shè)備的能力，結(jié)合FPGA的動態(tài) 外圍電路配置，實現(xiàn)了對不同廠商傳感器的自動識別、接入功能。STM圖中右邊是STM模塊與 NCAP 模塊相連接時的數(shù)據(jù)接口 TII (Transducer Intelligent Interface),其中 TII可用現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)通信協(xié)議替代，例如SPI接口、ICC接口等。IEEE1451. I 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中提出了 NCAP (Network Capable ApplicationProcessor)的概念，即網(wǎng)絡(luò)適配器。NCAP主要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信、ST頂通信、數(shù)據(jù)交換等功能，是作為標(biāo)準(zhǔn)換能器總線與專用網(wǎng)絡(luò)總線之間的接口(如附圖圖5所示)。附圖5仍然從NCAP的各個功能模塊對應(yīng)與FPGA上的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)做圖，說明了各個模塊間在FPGA內(nèi)部的連接關(guān)系，以IP核的形式呈現(xiàn)，其中，附圖圖5最左端的ST頂與附圖圖4中的ST頂是同一模塊，通過NCAP中的TII接口連接器IP核模塊進行功能上的連接，進行數(shù)據(jù)的通信；而用于連接各個不同網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信IP核，都與基于Microblaze軟核的嵌入式操作系統(tǒng)相連接。通過上述的連接方式，可以很好的利用Microblaze軟核的優(yōu)勢,通過添加或刪除IP核的方式，就可以很容易的對系統(tǒng)的外設(shè)硬件進行升級或改造，而不會影響到系統(tǒng)整體的架構(gòu)或功能。當(dāng)該控制器已經(jīng)連接物聯(lián)網(wǎng)感知層的相關(guān)設(shè)備時，用于網(wǎng)絡(luò)通信的各個硬件模塊開始啟動，并對該環(huán)境下覆蓋的網(wǎng)絡(luò)進行搜尋。一旦控制器找到可用的各種網(wǎng)絡(luò)時，控制器會通過觸摸屏自動顯示可選網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)的分享發(fā)送，讓用戶可以根據(jù)不同需求來選取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，在特定網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)的上傳分享或進行不同網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)交換。另外，也可以與其他編寫設(shè)備，如手機、PDA、平板電腦等通過藍牙、WIFI等無線協(xié)議分享物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的傳感器信息。綜合以上描述，基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置可以很好的應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各種場合的數(shù)據(jù)采集、收發(fā)，并可輕易實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享功能。通過連接不同的移動設(shè)備，該控制器可以擴展移動設(shè)備的外設(shè)種類，例如為手機接入溫度、濕度信息內(nèi)容，也可以通過移動設(shè)備采集當(dāng)前環(huán)境下的各類環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過手機內(nèi)部的應(yīng)用程序呈現(xiàn)在社交網(wǎng)絡(luò)之中，極大增強了虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的人機交互感受。
權(quán)利要求1.基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置，其特征在于 該裝置硬件包括主處理器、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源和傳感器擴展接口 ；數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源模塊和傳感器擴展接口都分別和主處理器相連； 該主處理器采用可動態(tài)配置FPGA芯片，負責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)感知層的各類傳感器數(shù)據(jù)信息與自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)選取的綜合控制； 數(shù)據(jù)存儲模塊一方面作為多傳感器接入時數(shù)據(jù)臨時存儲區(qū)域，供主處理器及無線收發(fā)模塊交換數(shù)據(jù)，確保了多組傳感器的數(shù)據(jù)不被丟失的情況；另一方面，數(shù)據(jù)存儲模塊作為傳感器數(shù)據(jù)的長期存儲區(qū)域，實現(xiàn)控制器對數(shù)據(jù)的保存，拷貝功能； 觸摸屏作為人機交互平臺，實時顯示控制器工作狀態(tài)、物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點數(shù)量及數(shù)據(jù)信息、當(dāng)前環(huán)境下可用無線網(wǎng)絡(luò)情況、及控制器自身電量；用戶通過觸摸屏對感知層傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)進行配置及選取。
專利摘要基于FPGA的傳感器與網(wǎng)絡(luò)智能接入裝置可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、網(wǎng)絡(luò)分享，屬于物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。采用主流的FPGA控制芯片作為主要的控制器，該控制器硬件包括主處理器、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源和傳感器擴展接口；數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊、觸摸屏、電源模塊和傳感器擴展接口都分別和主處理器相連；利用IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)中提出的電子數(shù)據(jù)表格、網(wǎng)絡(luò)適配器及智能變送器概念進行對應(yīng)IP核的編寫，實現(xiàn)了對不同廠商傳感器的自動識別接入、不同網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)連接、切換及傳統(tǒng)模擬傳感器、智能傳感器外圍電路的動態(tài)配置功能。
文檔編號H04W88/02GK202799178SQ201220436018
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者嚴(yán)海蓉, 張川 申請人:北京工業(yè)大學(xué)